1、基于 TRIZ 理论的同步带传动过载保护设计 王新琴 李正峰 黄淑琴 无锡商业职业技术学院机电技术学院 泰州职业技术学院机电工程学院 摘 要： 针对同步带传动过载保护的问题, 运用 TRIZ 理论和方法, 分析同步带传动存在的技术矛盾, 根据矛盾矩阵表给出的发明原理, 选用分割原理和预先作用原理对同步带轮进行改进设计, 将与从动轴相连的同步带轮分为轴套和轮体 2 部分, 通过安全销将轮体与轴套连接在一起。当工作过程中出现过载时, 在极限扭矩作用下, 安全销被剪断, 使轮体与轴套脱离, 从而保护电动机或重要机件不被损坏, 在排除故障后换上新的安全销即可。文章还介绍了安全销直径的计算方法。关键词：
2、 同步带传动; 过载保护; 设计; TRIZ; 作者简介：王新琴, 讲师, 主要研究方向为机械创新设计。E-mail:。收稿日期：2016-08-22基金：江苏省泰州市级工业支撑项目 (TG201316) The overload protection design of synchronous belt driving based on TRIZWANG Xinqin LI Zhengfeng HUANG Shuqin School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuxi Institute of Commerce; School of
3、Mechanical and Electrical Engineering, Taizhou Polytechnical Institute; Abstract： Aiming at the problem of overload protection of synchronous belt driving, this paper using the TRIZ theory and method, analyzes the contradiction. According to the principle of contradiction matrix, an improvement desi
4、gn is conducted by segmentation principle and the action principle, the synchronous belt driving connected with the driven shaft is divided into two parts of the sleeve and the wheel body, through the safety pin together. When overload work, the limit torque will cut the safety pin, make the body aw
5、ay from the shaft sleeve, in order to protect motor or important part not to be damaged. This paper also introduces the method for calculating the safety pin diameter.Keyword： synchronous belt driving; overload protection; design; TRIZ; Received： 2016-08-22同步带传动是由同步带和同步带轮组成的啮合传动, 其运动和动力是通过带齿与轮齿相啮合传递
6、的。同步带传动综合了带传动、链传动和齿轮传动的优点, 因带与带轮间没有相对滑动, 可获得理想的恒定速比, 另外, 传动平稳、传动效率高、噪声小和耐磨性好1-2, 缺点是过载时不打滑, 会导致电动机或重要机件的损坏。为了解决这一问题, 运用 TRIZ 理论进行分析并给出解决方案, 从而保证电动机或重要机件不被损坏。1 TRIZ 主要理论与方法TRIZ 理论已有 60 多年历史。TRIZ 涵义最初来源于俄文, 首字母的缩写为“”, 按照 ISO/R9-1968E 的规定, 把俄文转换成拉丁字母以后, 就成为“TRIZ”。“TRIZ”译成中文即为“发明问题解决理论”, 译成英文为 Teoriya R
7、esheniya Izobreatatelskikh Zadatch (或 Theory of Inventive Problem Solving) , 缩写为“TRIZ”或“TIPS”, 对于“TRIZ”, 无论用何种文字表达, 世界各国均已达成共识, 即“TRIZ”就是“发明问题解决理论”。它由前苏联发明家根里奇阿奇舒勒 (Genrich SAltshuller) 带领的团队, 通过对全世界 250 多万件发明专利的长期分析、归纳和提炼, 综合多个学科领域的原理形成的解决发明问题的理论体系和方法。TRIZ 理论主要包括 9 大部分, 其中由 39 个通用工程参数和 40 条发明原理建立的矛
8、盾矩阵是解决技术矛盾的有效工具3-4。发明问题解决过程见图 1。首先把特定技术问题抽象为标准问题或一般问题, 用 39 个通用工程参数描述其中的技术矛盾, 然后查找矛盾矩阵, 选择可用的发明原理, 得到一般问题的解;最后结合自己的经验和灵感提出具体的改进设计方案, 即特定解。图 1 发明问题解决过程 下载原图2 技术矛盾分析及解决方案2.1 技术矛盾分析所有实现某个功能的事物均可称为技术系统。当一个技术系统出现问题时, 其表现形式多种多样, 解决问题的手段也多种多样, 关键是要区分技术系统的问题属性和产生问题的根源。根据问题所表现出的参数属性、结构属性和资源属性, TRIZ 的问题模型共有 4
9、 种形式:技术矛盾, 物理矛盾, 物-场模型, HOW TO模型。与此相对应, TRIZ 的工具也有 4 种:矛盾矩阵, 分离原理, 知识与效应库和标准解法系统。经过分析, 同步带传动过载保护问题属于技术矛盾。技术矛盾是技术系统中某个参数或特性的改善会引起另一个参数或特性的恶化。同步带传动一旦过载会导致电动机或其他重要机件的损坏, 给维修造成不便, 改善的参数应该是“可维修性”, 在“可维修性”得到改善的同时, 可能会导致制造成本和制造难度的增加, 所以恶化参数应该是“可制造性”4-5。按照TRIZ 理论对 39 个通用工程参数的解释, “可维修性”是指系统或装置在损坏后便于修复的特性;“可制
10、造性”是指制造一系统或装置的方便性或简单性。如何改善“可维修性”而不会造成“可制造性”的恶化, 通过查找矛盾矩阵表获得解决方法。矛盾矩阵表将 39 个通用工程参数描述的技术矛盾和 40 条发明原理建立了对应关系。其中行描述的工程参数为矛盾冲突中恶化的一方, 列则表示改善的一方, 行列交叉处的数字为解决该矛盾所推荐的发明原理编号。根据矛盾矩阵表, 查出可用的发明原理有 4 条, 分别是第 1 条的分割原理, 第 10 条的预先作用原理, 第 11 条的事先防范原理和第 35 条的物理或化学参数改变原理。并不是矛盾矩阵表中给出的所有发明原理都能用于解决本文问题。通过仔细分析和反复论证, 确定可用原
11、理。第 1 条分割原理的启示是, 可以把一个物体分为容易组装和拆卸的部分, 于是设想将同步带轮分为 2 部分, 然后再组装起来。第 10 条预先作用原理表明, 在系统或装置某个合适的位置安装一个物体, 使其在第一时间发挥作用, 避免时间的浪费或其他事故的发生6。于是设想在组合同步带轮上预先放置安全销, 当出现过载时被剪断, 从而发挥过载保护的作用。2.2 解决方案改进后的同步带轮结构如图 2 所示, 轮体的内孔与轴套外圆相配合, 轮体和轴套上对应位置开有轴向销孔, 安全销穿入轮体和轴套上的销孔将轮体和轴套连接在一起。为了防止安全销轴向串动, 固定于轮体端面的卡板插入安全销的止口内;为了避免安全
12、销在剪断时损坏销孔壁, 轮体和销孔内加上销套7-8。图 2 改进后的同步带轮结构 下载原图注:1轮体;2安全销;3轮体销套;4轴套销套;5轴套;6卡板。当工作过程中出现过载时, 在极限扭矩作用下, 安全销被剪断, 虽然电动机继续带动从动轮转动, 但因安全销被剪断从而使轮体空转, 轴套停止转动, 使与轴套相连的工作轴不转动, 避免出现因过载造成电动机或重要机件损坏的情形, 在排除故障后换上新的安全销即可。3 安全销的强度计算如图 2 所示, 作用于安全销上的最大剪切力为:最大剪切应力为:式中:T max为电动机或其他被保护机件所能承受的极限扭矩;D 为安全销分布圆直径;n 为安全销数目;d 为安
13、全销受剪处直径。极限扭矩 Tmax=KT, T 为公称扭矩;K为过载系数9。当 max b时, 安全销被剪断, b为安全销剪切强度极限, b= (0.60.8) b, b为材料抗拉强度极限。则安全销直径的计算公式为:4 安全销的可靠性分析为了提高安全概率, 采用可靠性设计理论进行分析。可靠性设计理论认为, 系统参数都应是随机变量, 由于安全销直径及其他尺寸参数加工精度较高, 公差一般控制在 1%以内, 即尺寸变差系数很小, 为了简化计算可按常量处理。本文只把材料的剪切强度极限看作是服从正态分布的随机变量, 在缺少实验数据时, 剪切强度极限的统计平均值 b和标准偏差 b 可按下式计算。由可靠性设
14、计理论建立的联接方程为:式中 ZR为联接系数或可靠性系数, 其与剪断概率 P 有关, 当剪断概率 P 取0.800.90, 则 ZR相应为 0.8421.28210。将有关数据带入式 (5) , 可得出安全销直径的可靠性计算公式:对同一种材料的安全销来说, 安全销直径是剪断概率的函数, 所要求的剪断概率越高, 则安全销直径越小, 一般不要求剪断概率大于 90%, 因可能导致不能安全地传递正常扭矩值。实际上由传统公式计算出的安全销直径, 其剪断概率只有 50%, 显然难以满足重要的同步带传动要求。5 结语改进后的同步带轮已应用于六辊烫平机的传动装置中, 实现了过载保护功能。其上也可安装报警装置,
15、 安全销剪断后及时发出控制信号, 自动切断电源, 并通过手机通知维修人员更换新的安全销。实践证明, 运用 TRIZ 理论, 可大大加快创造发明的进程, 有助于系统的分析问题, 突破思维障碍, 快速发现问题本质或者矛盾, 确定问题探索方向。TRIZ 理论已经成为一套解决产品创新实际问题的成熟的理论和方法体系。参考文献1黄淑琴, 闵杭临.六辊烫平机的同步带传动装置设计J.毛纺科技, 2014, 42 (12) :45-47. 2杨淑杰.毛纺进口设备同步齿形带的使用与设计改进J.毛纺科技, 1988 (4) :46-48. 3赵燕江, 张永德, 邹赫莉.基于 TRIZ 理论的抽油烟机叶片清理机的设计
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